不只看 WVTR: 五項鈣鈦礦與有機太陽能封裝洞察

隨著鈣鈦礦太陽能電池（PSC）與有機太陽能電池（OPV）逐步從實驗室元件走向 mini-module、戶外測試與規模化製造，封裝已不再只是最後一道保護程序，而是影響長期可靠度的重要系統工程。

高阻水氣能力很重要，但光有低 WVTR 並不夠。

 

ISOS-17 帶來的核心訊息

水氣穿透率（WVTR）與氧氣穿透率（OTR）仍是重要的材料指標，但實際元件可靠度同時受到介面接著、封裝幾何設計、機械性質、化學相容性與製程條件影響。

在巴黎薩克雷舉行的 ISOS-17 中，永光化學以贊助商、參展單位及講者身分參與，並以 Eversolar® Encapsulation: From Research to Scalable Processing 為題，分享從實驗室研究走向可規模化封裝製程時值得關注的五項關鍵議題。

1. 為什麼只看 WVTR 無法預測元件壽命

WVTR 描述水氣穿透材料本體的速度，但在實際封裝的太陽能元件中，水氣並不只有一條進入路徑。兩種機制特別重要：

• Bulk Permeation｜體相滲透：水氣逐漸穿透封裝材料本體。
• Interfacial Leakage｜介面滲漏：水氣沿著封裝膠與玻璃、電極或其他元件層之間的弱介面進入。

因此，即使一款封裝材料具有很低的 WVTR，只要介面接著不足，或 delamination 形成較快速的水氣通道，實際元件仍可能提早失效。

設計原則：低 WVTR 無法彌補不穩定的封裝介面。

 

2. 選擇鈣鈦礦封裝材料時應評估哪些參數

ISOS-17 Encapsulation Round Table 的討論進一步指出，封裝材料應以完整系統而非單一性能數值進行評估。

評估項目	為什麼重要
WVTR / OTR	評估材料本體的水氣與氧氣穿透
接著力	降低介面滲漏與 delamination 風險
機械性質	影響熱循環下的應力傳遞
不同溫度下的模數	反映材料在實際操作溫度下的行為
光學穿透率	影響進入元件的有效光
UV 穩定性	影響長期光學與材料可靠度
化學相容性	降低與敏感元件層發生反應的風險
Seal geometry	決定水氣到達 active area 的有效擴散距離
固化與製程溫度	影響對熱敏感元件的製程相容性

Round Table 也提出，研究論文與技術資料若能更完整揭露材料厚度、WVTR／OTR 測試條件、光學性質、玻璃轉移溫度及固化後機械性質，將更有助於跨團隊比較。因為即使兩種材料的 WVTR 接近，整合到實際元件後的可靠度仍可能不同。

 

3. 不同封裝材料解決不同工程問題

對鈣鈦礦與 OPV 而言，並不存在適用所有元件架構的唯一最佳封裝材料。ISOS-17 討論的幾類常見材料，呈現出不同的製程與可靠度取捨：

• POE：已展現良好的太陽能模組穩定性，但傳統交聯製程可能需要約 150°C。
• TPO：可提供較低溫的加工選項，但不同配方在透明度、UV transmission 與化學組成上可能存在明顯差異。
• TPU：具有較佳柔韌性，有助於吸收部分機械應力，但仍需評估 yellowing、additives 與 barrier performance。
• Silicone 類材料：具有良好柔韌性，但一般氣體阻隔能力相對較弱。
• PIB：是成熟且常見的 edge-seal 材料，但仍需依配方評估與敏感鈣鈦礦材料直接接觸時的相容性。
• UV 固化液態封裝材料：對部分溫度敏感的鈣鈦礦結構，可提供另一條低溫製程路徑。

材料選擇：封裝材料的選擇，應從元件架構、可靠度需求與預計採用的製造方式開始。

 

4. 為什麼 Edge-Seal Width 也很重要

材料的 permeability 並不是封裝阻隔能力的全部。水氣從元件邊緣進入後，必須經過一定距離才會抵達 active area。即使使用相同封裝材料，只要增加有效封裝寬度，水氣抵達活性區域所需經過的路徑就會增加。

在 ISOS-17 的 Eversolar® 演講中，我們以約 2.5 mm 與 8.5 mm 的封裝寬度進行說明。較寬的封裝區域意味著更長的 moisture diffusion path。

設計原則：WVTR 與有效 seal width 應該一起評估。

增加 seal width 也會犧牲可使用的 active area。對 IoT、穿戴式裝置或太空應用等尺寸受限的系統而言，封裝邊界可能非常窄。當幾何設計無法提供足夠的 diffusion distance 時，材料本身的阻水氣能力與穩定介面接著就更加重要。

 

5. 封裝設計必須從實驗室延伸到量產製程

在實驗室中能有效運作的封裝方式，不代表可以直接轉移到量產線。當新世代太陽能技術朝更大面積與商業製造發展時，封裝必須進一步與 coating、lamination、dispensing、curing 及 module handling 等設備整合。

 

在 ISOS-17 中，永光化學分享了 UV/VIS 固化封裝材料可能的規模化製程方向，包括 Roll-to-Roll 製程與 automated dispensing。

 

Roll-to-Roll 製程

Unwinding → Coating → Lamination → UV/VIS curing → Rewinding 或 cutting。

 

Automated Dispensing

以自動化點膠設備將封裝或 edge-sealing 材料精準塗佈於模組指定區域。

規模化原則：封裝材料與製造製程應該同步設計。

如果一款材料只針對實驗室手動操作最佳化，到了量產階段可能面臨 throughput、塗佈均勻性與設備整合等問題。越早考慮 process integration，就越有機會縮短實驗室穩定元件與可實際製造產品之間的距離。

 

從學研合作走向實際元件驗證

永光化學在光伏封裝材料上的工作，也逐步從單純材料開發延伸到學研合作與 device-level testing。

在 ISOS-17 期間，我們與 MOED – Henk Bolink’s group 進一步交流 PCB-based encapsulation、戶外穩定性測試，以及不同封裝 protocol 的跨實驗室比較。

封裝材料的物性只能提供部分答案，真正的可靠度仍必須回到完整元件架構中驗證。

 

公開研究中的元件層級案例

一項 EES Solar 研究中，使用 Eversolar® 封裝系統的元件在 75°C、1 sun、MPP tracking 1,000 小時後，仍保留約 90% 的效率。EES Solar (2025), DOI: 10.1039/D5EL00145E.

另一項 2024 年發表於 Nature Communications 的研究中，採用包含 Eversolar® AB-341 的封裝系統之鈣鈦礦太陽能電池，在 85°C / 85% RH 的 ISOS-D3 條件下達到 T₁₀₀ > 1,930 小時。Nature Communications (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-54113-4.

Claim 注意：上述結果代表完整元件與封裝架構的表現，並不是單一封裝膠材本身的壽命規格。

 

朝向更完整的封裝 Best Practice

ISOS-17 Encapsulation Round Table 的另一項重要成果，是規劃建立可持續更新的封裝 guidance, best-practice document, 及相關的封裝資訊交流小組。討論方向包含：

• 封裝材料與供應商資訊
• 樣品取得方式
• 建議加工方式
• 材料相容性
• 可靠度結果
• 材料 characterization 與資訊揭露

如果缺少材料厚度、固化條件、seal geometry 或機械性質等資訊，不同實驗室的穩定性結果就很難真正進行橫向比較。未來隨著鈣鈦礦與 OPV 邁向更大面積元件與商業化，封裝將越來越需要元件研究者、材料供應商、設備商與模組製造商共同合作。

 

常見問題

低 WVTR 就足以做好鈣鈦礦太陽能電池封裝嗎？

不一定。低 WVTR 可以降低材料本體的水氣穿透，但水氣仍可能沿封裝介面或元件邊緣進入，因此接著力、seal geometry、機械穩定性與製程品質也必須一起評估。

為什麼低溫封裝對鈣鈦礦太陽能電池很重要？

部分傳統太陽能封裝製程需要較高的 lamination 或 crosslinking 溫度。對部分熱敏感鈣鈦礦元件而言，低溫固化可以提供另一種製程選擇。

Edge-seal width 會如何影響可靠度？

較大的有效封裝寬度會增加水氣抵達 active area 前所需經過的距離，因此 barrier performance 與 seal width 應一起評估。

選擇鈣鈦礦封裝材料時應該看哪些數據？

除了 WVTR 與 OTR，也應評估 adhesion、不同溫度下的機械性質與 modulus、光學穿透率、UV stability、化學相容性、固化條件及 seal geometry。

UV 固化封裝材料可以用於量產嗎？

依元件與產線設計不同，UV/VIS 固化材料可進一步與 automated dispensing、coating、lamination 及 roll-to-roll 製程整合。

 

從穩定性研究走向可規模化的可靠度

ISOS-17 再次凸顯了新世代太陽能封裝的一項重要原則。

長期可靠度，無法只靠一個漂亮的 barrier 數值解決。

真正有效的封裝，需要同時理解水氣傳輸、介面、機械性質、材料相容性、封裝幾何與製造流程。隨著鈣鈦礦與有機太陽能逐步邁向更大面積與產業化應用，如何整合這些因素，將是把實驗室穩定度轉化成實際環境可靠度的關鍵。

永光化學將持續與大學、研究機構及企業夥伴合作，從實驗室元件、mini-module 到可規模化製程，共同探索更可靠的光伏封裝方案。

與 Eversolar® 團隊討論您的封裝需求：無論是高阻水氣、窄邊封裝、低溫固化、mini-module 或量產製程整合，我們都歡迎進一步進行技術交流與材料評估。

 

技術資料來源

• Everlight Chemical, Eversolar® Encapsulation: From Research to Scalable Processing, ISOS-17 Sponsor Talk.
• ISOS-17 Encapsulation Round Table discussion notes and summit debrief supplied for this article.
• EES Solar (2025), DOI: 10.1039/D5EL00145E.
• Nature Communications (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-54113-4.